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Inverse Generalized Prandtl-Ishlinskii Model를 이용한 압전 스택 액추에이터의 역 히스테리시스 모델링
Inverse Hysteresis Modeling for Piezoelectric Stack Actuators with Inverse Generalized Prandtl-Ishlinskii Model 원문보기

한국지능시스템학회 논문지 = Journal of Korean institute of intelligent systems, v.24 no.2, 2014년, pp.193 - 200  

고영래 (중앙대학교 기계공학과) ,  김태형 (중앙대학교 기계공학과)

초록
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압전 액추에이터(Piezoelectric actuator)는 빠른 응답 특성, 넓은 대역폭, 우수한 반복 정밀도, 그리고 높은 분해능의 특성으로 인하여 다양한 산업분야에서 폭넓게 사용되고 있다. 하지만, 압전 액추에이터에는 히스테리시스 효과(Hysteresis effect)가 발생되는 단점이 있으며, 이는 시스템의 성능을 저하시키는 주요한 원인으로 알려져 있다. Generalized Prandtl-Ishlinskii(GPI) model을 이용한 기존 연구에서는 히스테리시스 효과를 제거하기 위하여 히스테리시스를 수리적으로 모델링하고, 그 결과로부터 역 히스테리시스를 도출하였다. 하지만 모델링된 변수 값에 따라서는 역 히스테리시스 루프를 형성하지 못하는 치명적 문제점이 발생된다. 따라서 본 논문에서는 이러한 문제점을 해결하기 위하여 Inverse Generalized Prandtl-Ishlinskii(IGPI) model을 이용하여 역 히스테리시스를 직접 모델링하는 방법을 제안하였다. 또한 모델링 정밀도는 다양한 입력신호를 이용한 실험 결과를 기반으로 검증하였다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

Piezoelectric actuators have been widely used in various applications because they have many advantages such as fast response time, repeatable nanometer motion, and high resolution. However Piezoelectric actuators have the strong hysteresis effect. The hysteresis effect can degrade the performance o...

주제어

#히스테리시스   #압전 액추에이터  

AI 본문요약
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* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

  • 본 논문에서는 기존의 역 히스테리시스를 계산하는 과정에서 발생한 문제점을 시뮬레이션 예제를 이용하여 설명하고자 한다. 시뮬레이션에 사용한 입력은 v(t) = 4sin(2πt) +3cos(2π0.
  • 본 논문에서는 이러한 문제점을 해결하고자 역 히스테리시스를 직접 모델링하는 방법을 제안하였다.
  • 본 연구에서는 기존의 GPI model을 이용하여 역 히스테리시스를 계산하는 과정에서 발생한 문제점을 해결하고자 Inverse Generalized Prandtl-Ishlinskii(IGPI) model를 직접 모델링하는 방법을 제안하였다. 이러한 방법의 장점은 히스테리시스를 모델링한 후 역 히스테리시스를 다시 계산해야 하는 불편함을 줄일 수 있고, 또한 모델링된 변수 값들에 따라서 역 히스테리시스를 형성하지 못하는 문제점을 해결할 수 있다.
  • GPI model을 이용한 기존 연구에서는 히스테리시스 효과를 제거하기 위하여 히스테리시스를 모델링하고 그 결과로부터 역 히스테리시스 모델을 계산하여 제거할 수 있었다. 하지만, 모델링된 변수 값에 따라서 역 히스테리시스 루프를 형성하지 못하는 경우가 발생하였고, 본 논문에서는 이러한 문제점을 해결 하고자 IGPI model을 이용하여 역 히스테리시스를 직접 모델링하는 방법을 제안하였다. 모델링된 결과는 다양한 신호를 사용하여 검증하였고, 검증결과의 오차를 모델링 오차와 비교하여 본 논문에서 제안한 역 히스테리시스 모델링 방법이 가능함을 확인할 수 있었다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
히스테리시스 효과를 효과적으로 제거하는 방법은? 히스테리시스 효과를 제거하기 위한 방법 중 하나는 히스테리시스에 대한 수학적인 모델을 이용하여 히스테리시스의 동적 거동을 예측하고, 이의 역 히스테리시스 모델을 도출하여 개루프 피드포워드 보상기를 구성하는 것이다. 히스테리시스를 모델링하기 위한 수학적인 모델로서는 Bouc-Wen model, Dahl model, Preisach model, 그리고 Prandtl-Ishlinskii model 등 다양한 기법들이 제안되었다[6].
압전 액추에이터의 특성은? 빠른 응답 특성, 우수한 반복 정밀도, 그리고 높은 분해능의 특성을 갖는 압전 액추에이터(Piezoelectric actuator) 는 스캐닝 프로브 마이크로 스코프(Scanning probe microscopes), 마이크로/나노 매니퓰레이션(Micro/nano manipulations), 그리고 진동 제어등 마이크로 및 나노 분야에서 폭넓게 사용되고 있다[1-2]. 하지만, 압전 액추에이터에서는 비선형적 히스테리시스(hysteresis) 현상이 발생되는 문제점이 있으며, 이와 같은 히스테리시스는 압전 액추에이터를 사용한 시스템의 성능을 저하시키는 주요 원인으로 지적되고 있다[3].
GPI model의 문제점은 무엇인가? 또한 구축된 히스테리시스 모델을 이용하여 역 히스테리시스 모델을 계산하고 개루프피드포워드 보상기를 이용하여 히스테리시스를 제거할 수 있음을 보였다[7]. 하지만, 이러한 경우에 모델링된 변수 값들에 따라서 역 히스테리시스 루프를 형성하지 못하는 경우도 발생된다. 다시 말하자면 역 히스테리시스 루프가 형성 되지 못하므로 개루프 피드포워드 보상기를 이용하여 히스테리시스를 제거할 수 없게 되는 문제점이 발생된다. 이에 관한 상세 내용은 4장에서 시뮬레이션 결과를 바탕으로 설명하고자 한다.
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참고문헌 (12)

  1. S. Devasia, E. Eleftheriou, and S. O. R. Moheimani, "A survey of control issues in nanopositioning," IEEE Transactions on Control Systems Technology, Vol. 15, No. 5, pp. 802-823, 2007. 

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  2. G.-Y. Gu, L.-M. Zhu, C.-Y. Su, and H. Ding, "Motion control of piezoelectric positioning stages: modeling, controller design and experimental evaluation," IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, 2012. 

  3. Y. Chen, J. Qiu, J. Palacios, and E. C. Smith, "Tracking control of piezoelectric stack actuator using modified Prandtl-Ishlinskii model," Journal of Intelligent Material Systems and Structures, Vol. 24, No. 6, pp. 753-760, 2013. 

    상세보기 crossref

  4. M. Al Janaideh, S. Rakheja, and C.-Y. Su, "A generalized Prandtl-Ishlinskii model for characterizing the hysteresis and saturation nonlinearities of smart actuators," Smart Materials and Structures, Vol. 18, no. 4, 2009. 

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  5. M.-J. Yang, G.-Y. Gu, and L.-M. Zhu, "Parameter identification of the generalized Prandtl-Ishlinskii model for piezoelectric actuators using modified particle swarm optimization," Sensors and Actuators A: Physical, Vol. 189, pp. 254-265, 2013. 

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  6. Q. Xu and Y. Li, "Dahl model-based hysteresis compensation and precise positioning control of an XY parallel micromanipulator with piezoelectric actuation," Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Control 132 (4),Vol. 132, 2010. 

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  7. M. Al Janaideh, S. Rakheja, and C.-Y. Su, "An analytical generalized Prandtl-Ishlinskii model inversion for hysteresis compensation in micropositioning control," IEEE/ASME Trans Mech, 2011. 

  8. H. W. Beak, T.-H. Kim, J. N. Ryu, J. I. Oh, "Diversity-enhanced particle swarm optimizer and its application to optimal flow control of sewer networks," Science and Information Conference, 2013. 

  9. H. Sayyaadi and M. R. Zakerzadeh, "Position control of shape memory alloy actuator based on the generalized Prandtl-Ishlinskii inverse model," Mechatronics, pp. 945-957, 2013. 

  10. K. Kuhnen and H. Janocha, "Inverse feedforward controller for complex hysteretic nonlinearities in smart-material systems," Control Intelligence system, Vol. 29, pp. 74-83, 2001. 

  11. H. W. Beak, T.-H. Kim, J. N. Ryu, J. I. Oh, "Model Predictive Control for Distributed Storage Facilities and Sewer Network Systems via PSO," Journal of Korean Institute of Intelligent Systems, Vol. 22, No. 6, pp. 722-728, 2012. 

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  12. S.-Y. Lee, M. Park, and J. H. Baek, "Modeling of Dynamic Hysteresis Based on Takagi-Sugeno Fuzzy Duhem Model," International Journal of Fuzzy Logic and Intelligent Systems, Vol. 13, No. 4, pp. 277-283, 2013. 

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